Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 194
Текст из файла (страница 194)
В результате использования триггера из ИС 'АЕБ74 на месте ЕЕ2 значение МТВГ станет примерно в 20000 раз ббльшим; 8 7 10ь 16 10д' 1оз Даже если мы продадим миллион изделий с таким синхронизирующим устройстволк у нас (или у наших преемников) сбой будет происходить в синхронизирующем устройстве раз в 144 года. Сегодня это обеспечивает нам надежную работу! На самом деле указанный запас надежности не так велик, как это может показаться. (Насколько большим кажется вам интервал длиной 144 года?) Большинство числовых значений в табл.
8.35 являются средними, и редко кто из производителей ИС указывает эти параметры в технических данных, не говоря уже о том, чтобы гарантировать их величину. Кроме того, вычисляемое значение МТВГ крайне чувствительно к значению т, которое, в свою очередь, может зависеть от температуры, напряжения и фазы луны. Поэтому данный триггер в реальной системе может работать много хуже (или много лучше), чем то, что предсказывает наша таблица. Рассмотрим, например, что произойдет, если мы увеличим тактовую частоту в нашей 16-мегагерцной системе до 20 МГц, то есть всего на 25',4. Вы, естественно, можете подумать, что метастабильность ухудшится на 25ОЬ, или, быть может, на 250;4, если считать с большим запасом.
Но вы подсчитайте, и тогла увидите, что при использовании элементов ИС 'АЕБ74 на месте обоих триггеров ЕЕ! и ЕЕ2 значение МТВГ упадет до 3.7 10"с, то есть станет хуже более чем в миллион раз! Новое значение МТВГ составляет примерно 429 лет, и это прекрасно, если иметь в виду одну систему; но если вы продадите миллион таких систем, то отказ в одной из них будет происходить раз в четыре часа. В результате, вместо того, чтобы в течение долгого времени оставаться незаменимым работником вашей фирмы, вы становитесь в ней козлом отпущения! 8.9.6. Другие схемы синхронизирующих устройств Выше мы пообещали рассказать о том, как строить более надежные синхронизиРующие устройства.
Первый способ уже указан: применяйте триггеры с бЬльшим быстродействием, в результате чего уменьшится значение т в выражени~ для МТВЕ Второй способ очевиден: нужно увеличить допустимое время г, в выражении для МТВЕ 8.9. Сбой в работе синкрониаирующего устройства и ыетастабильиость 891 Самое большое значение к в схеме на рис. 8.96 при заданной частоте системно- с го тактового сигнала равно г, и это достижимо в том случае, когда время уста- ка' новления триггера рг2 равно 0 Но значение г можно увеличить на порядок и сделать равным и г, воспользовавшись схемой млоготаклклого синхранцзиру- све юкпего устройства (тай!р!е сус(е зз лс)кгопйег), приведенной на рис.
8.98, Здесь частота системного тактового сигнала делится на п, полученное таким образом колебание играет роль тактового сигнала для синхронизирующего устройства и допустимое время метастабильности возрастает до г = (и г,„) — г . Обычно значения и = 2 или п = 3 обеспечивают подходящую надежность синхронизирующего устройства. Аятйс!м (асинхрониый входной сигнал СсОСК (системный тактовый си Рис.
8.98. Многотактное синхрониаирующее устройство Обратите внимание на то, что в этой схеме перепады в сигнале С(.ОСКС будут отставать от перепадов в сигнале СЫСК, поскольку С1 ОСКС является выходным си~налом счетчика, состоящего из триггеров, переключающихся по фронту сигнала СЕОСК. Это означает, что сигнал ЯУ|ЧСПЧ, в свою очередь, будет задержан или затянут по отношению к другим сигналам в синхронной системе, которые вырабатываются триггерами, переключающимися по фронту сигнала СЕОСК непосредственно. Если сигнал ЯМЧСйЧ проходит в синхронной системе через дополнительную комбинационную логику, прежде чем достигает входов системных триггеров,тотребования,предъявляемые временем установления этих триггеров, могут оказаться невыполненными.
В этом случае можно воспользоваться схемным решением, представленным на рис. 8.99. Здесь сигнал ЯМЧС1гк еще раз тактируется триггером ЕгЗ по сигналу СЕОСК, в результате чего вырабатывается сигнал ОЯх1ЧСйч, временные параметры которого будут такими же, как и у сигналов на выходах других триггеров синхронной системы. Задержка сигнала С(.ОСКС по отношению к сигналу СЕОСК должна быть достаточно малой, чтобы удовлетворять требованию, предъявляемому временем установления триггера ггЗ. Чем больше п в и-тактном синхронизирующем устройстве, тем дольше синхронной системе не видно изменение асинхронного входного сигнала. Эта задержка является ценой, которую необходимо уплатить за надежную работу системы, В типичной микропроцессорной системе ббльшая часть асинхронных входных сигналов извещает систему о внешних событиях (прерывания, требования прямого доступа в память и т.д.), так что не требуется распознавать их очень быстро 892 Глава 8.
Практическая разработка схем последовательной логики с точки зрения задержки в синхронизируюшем устройстве. Когда обращение к памяти критично по времени, опытные разработчики заставляют подсистему памяти работать от тактового сигнала процессора, если только это возможно. Прн этом надобность в синхронизирующем устройстве пропадает и система функционирует с наибольшим возможным быстродействием.
(сигнал Ят1ЧС11Ч бвз затягивания) синхронизирующее устройство Азтнс1н 1асинхронны входной сиги скоси [системный тактовый сигнал) Рис. 8.99. Многотактное синхронизирующее устройство с компенсацией за- тягивания сиеронизср1лсщае устройспю ивином 1исиннрснны инсхнсй сити скоси 1сисныиый твнмнвй сипни1 Рис. 8. з 00.
Многокаскадное синхронизирующее устройство Принцип действия мнггокаскадного синхронизирующего устройства основан на том, что с некоторой вероятностью выход из состояния метастабильности произойдет уже в первом триггере, а в случае неудачи — с равной вероятностью в каждом следующем из триггеров, включенных последовательно. Таким образом, вероятность отказа синхронизирующего устройства в целом оказывается порядка л-й степени вероятности отказа на данной частоте системного тактового сигнала синхронизирующего устройства с одним триггером. И хотя это отча- На более высоких частотах возможность реализации многотактного синхронизирующего устройства по схеме, приведенной на рнс.
8.98, ограничена разбросом задержек тактового сигнала. По этой причине некоторые проектировщики вместо деления частоты системного тактового сигнала на н применяют последовательно включанные сннхронизнруюнтив усгвройсгнва (савсаасвас ~нсУтгоптгегв). При таком подходе используется цепочка сп и триггеров (регистр сдвига), в которой все триггеры переключаются быстрым системным тактовым сигналом.
Соответствующая схема показана на рис. 8.100 8.9, Сбой в работе синхрониаирующего устройства и метастабильность 898 сти верно, все же величина МТВД для многокаскадчого синхроннзнруюшего устройства меньше, чем для многотактного синхроннзирующего устройства с тем же временем задержки !и г,,„). В случае многокаскадного устройства время установления зриггера г необходимо вычесть и раз из времени ~, тогда как в саьр случае многотактного устройства значение гхя вычитается только один раз Для построения синхронизирующего устройства можно воспользоваться внутренними триггерами ПЛУ; при этом оба триггера в схеме на рис. 8.96 находятся в одном ПЛУ.
В большинстве приложений это очень удобно, так как исключается необхолимость применения внешних триггеров, размещенных в отдельной ИС. Однако, как правило, значение МТВг для синхронизируюшего устройства, образованного внутри ПЛУ, хуже, чем при использовании отдельных ИС, созданных по той же или подобной технологии. Это происходит потому, что на !з-входе каждого триггера в ПЛУ имеется комбинационная логическая матрица, увеличивающая его время установления и тем самым уменьшающая время г, в течение которого должен произойти выход из состояния метастабильностн, при заданном периоде г а системного тактового сигнала. Чтобы сделать значение г максимально возможным, не используя для этого специальных компонентов, в качестве РР2 в схеме на рис. 8.96 следует применить триггер из отдельной ИС с малым временем установления.
8.9.7. Триггеры с защитой от метастабильности В конце 80-х годов фирма Техаз!пз~пппеп1з и другие производители приступили к выпуску ИС малой и средней степени интеграции с триггерами, специально предназначенными для использования в синхронизируюгцнх устройствах, встраиваемых в систему на уровне печатных плат. Микросхема 74Ао4374 была, например, подобна ИС 74А8374, но с тем отличием, что отдельные триггеры заменены парами триггеров, включенных по схеме, представленной на рис. 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
